الديود الضوئي (Photodiode) هو حساس أو مستشعر الأوزان الخفيفة كما الضوء يقوم بتحويل الطاقة الضوئية الواقعة على إلى طاقة كهربائيّة على شكل جهد كهربائي أو تيار كهربائي. يتكوّن الديود الضوئي من مواد نصف ناقلة (مواد عازلة تصبح ناقلة عند شروط محددة كارتفاع درجة الحرارة) كالجرمانيوم والسيليكون والجاليوم مع وصلة PN ، وتوجد طبقة داخليّة بين طبقتي P و N، تتصل إحدى أطرافها مع القطب السالب للبطاريّة بينما الآخر يتصل مع الطرف الموجب للبطاريّة.

ومن الداخل يتكون الديود الضوئي من مرشحّات ضوئيّة مدمجة مع العدسة وعلى السطح. الشكل الآتي يوضّح الديود الضوئي بشكل مشابه للعنصر LED بطرفين يُطلق عليهما مصعد ومهبط أو أنود وكاثود، مع اختلاف اتجاه الأسهم حيث تكون خارجة من الديود في العنصر LED.

الديودات الضوئية

سُمّي الديود الضوئي بهذا الاسم نظراً لأنّه يُثار بالضوء، حيث وقوع الضوء على الديود يثير وصلة PN فتتأين الروابط التساهميّة وتُخلق أزواج من الإلكترونات والحفر تُسمّى زوج إلكترون-ثقب، يكون ذلك نتيجة وصول فوتونات الطاقة إلى أكثر من 1.1 eV؛ هذا يوّلد بدوره تيار ضوئي، فعندما تصل الفوتونات إلى منطقة النفوذ للديود تضرب الذرات بطاقة هائلة، منتجة بذلك إلكترونات حرّة وثقب.

الديودات الضوئية

تحمل الإلكترونات شحنة سالبة بينما الثقوب تكون موجبة الشحنة، تنتقل الثقوب نحو قطب الأنود والإلكترونات إلى قطب الكاثود نتيجة الحقل الكهربائي المكون منطقة النفوذ، ويتناسب امتصاص الضوء بشكل عكسي مع طاقة الضوء حيث الطاقة المنخفضة تجعل الامتصاص أكبر وبالعكس. ويتم توصيل الديود الضوئي في دائرة خارجيّة ذات انحياز عكسي، حيث يتم توصيل الأنود مع الأرض بينما الكاثود إلى جهد التغذية، يكون مصدر الطاقة ضروريّاً هنا لأن التيار الناتج عن الديود صغير جداً ولا يكفي لتشغيل أي جهاز إلكتروني لذلك يتم توصيله مع بطارية لإنتاج تيار أكبر وكافي لتشغيل جهاز إلكتروني ممّا يضمن أداء أفضل للدارة.

طرق تشغيل الديود الضوئي:

  • الوضع الكهروضوئي: ويُدعى هذا الوضع Zero Bias، و يُستخدم لتشغيل التطبيقات ذات التردد المنخفض وتطبيقات الإضاءة العالية، حيث تحفيز الديود بالضوء يخلق جهداً بمميزات لا خطيّة ومجال ديناميكي صغير جدّاً، ويكون الديود أيضاً حساس لمجال معيّن من درجات الحرارة في تصميمه.
  • وضع الموصل الضوئي: يتم استخدام هذه الطريقة في المضخمات الأوليّة حيث تحافظ على جهد ثابت فتصبح موصلة ضوئيّة، يعمل الديود الضوئي في حالة الانحياز العكسي ( جهد الأنود أقل من جهة الكاثود)، وبزيادة هذا الجهد  يزداد عرض طبقة النفوذ ممّا يقلل من سعة وصلة pn ووقت الاستجابة.
  • وضع الانهيار للديود الضوئي: يعمل الديود هنا بانحياز عكسي عالي فتنهار الأزواج (ثقب- إلكترون) الناتجة عن الضوء، هذا يخلق يدوره كسب داخلي للديود الضوئي فيعمل.

يتم استخدام هذا النوع من الديودات في المجالات التالية:

  • أجهزة الأمان الإلكترونيّة كحساسات الحرائق والدخان.
  • تطبيقات العزل الكهربائي بمساعدة أجهزة أخرى.
  • التطبيقات اليوميّة البسيطة نظراً لاستجابتها الخطيّة مع الضوء، فسقوط كميّة كبيرة من الضوء يُنتج كميّة عالية من التيار.
  • الكاميرا كحساس ضوئي، وفي الوحدات التلفزيونيّة.
  • النواقل الضوئيّة وأنابيب المضاعف الضوئي والأجهزة ذات الشحن.
  • التطبيقات الطبيّة كأدوات تحليل العينات وأجهزة مراقبة غازات الدم وأجهزة الكشف عن التصوير المقطعي.

أكمل القراءة

لا يوجد بيت يخلو من الأجهزة الكهربائية، ولكل جهاز كهربائي دارة كهربائية تحوي مجموعة من العناصر الإلكترونية، ولكل عنصر من هذه العناصر دورٌ معين يقوم به وخصائص تميزه عن غيره من العناصر، ومن بين هذه العناصر الديودات الضوئية.

الديود الضوئي أو ما يسمى بالـ (Photodiode): هو نوع خاص من العناصر التي تولّد الكهرباء عند تعرضه للضوء، ويسمى عنصر الاستشعار الضوئي أو العنصر الحساس للضوء أو الثنائي الضوئي كونه يحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.

تصنع الديودات الضوئية من مواد نصف ناقلة، والمواد نصف ناقلة هي عبارة عن مواد عازلة تتحول ضمن شروط معينة إلى مواد ناقلة ومن بين هذه الشروط كتغيّر درجة حرارة هذا العنصر، أو اختلاف المواد الداخلة في تصنيعه كـ (الجرمانيوم، السيليكون، زرنيخيد الجاليوم).

يوجد عدة أنواع أساسية للديود الضوئي وتختلف باختلاف نوع الضوء الذي تستقبله وهي:

  1. الديود الضوئي الحساس للأشعة تحت الحمراء (IR Photodiode): يستخدم هذا النوع في أجهزة التحكم عن بعد الخاصة بالتلفاز وآلات التصوير ومعظم الأجهزة التي تعمل بمبدأ التحكم عن بعد.
  2. الديود الضوئي الحساس للضوء المرئي (VL Photodiode): الذي يُستعمل في أجهزة الإنذار المنزلية والبنوك والمتاحف لكشف السرقة وأجهزة الإنذار الخاصة بالحرائق والكثير من الأجهزة الطبية الحديثة.
  3. الديود الضوئي الحساس للأشعة فوق البنفسجي (UV Photodiode)ويستخدم هذا النوع في الكثير من الأجهزة التي تستخدم في الاختبارات العلمية كقياس شدة نقاء الماء أو مقدار الأشعة البنفسجية المتسربة من طبقة الأوزون أو صلاحية الأغذية… إلخ.

يعمل الديود الضوئي عند تسليط إشارة ضوئية عليه، عندها يمرر التيار الكهربائي بغض النظر عن شدة الإشارة الضوئية ودون تقييد التيار بمقدار معين. وبالمقارنة مع المقاومة الضوئية LDR فإنها تتبع نفس مبدأ العمل، ولكنها تسمح بمرور التيار مع تحديد كمية التيار المار في الدارة الكهربائية وذلك حسب شدة الضوء المسلط عليها.

يعتبر الديود الضوئي عنصر ثنائي القطبية لوجود قطبين فيه، وهما القطب السالب ويسمى Cathod والقطب الموجب ويسمى Anode، يُلف الديود بإسطوانة ويغطى بقطعة مصنوعة من الزجاج وذلك ليتمكن من استشعار الضوء الساقط عليه وتمرير الإلكترونات من المهبط إلى المصعد بوضعية تسمى (الانحياز العكسي) وتكوين تيار كهربائي يمر فيه.

يتم توصيل الديود الضوئي في الدارة بطريقة الانحياز العكسي، وذلك لسبب مهم جداً وهو منع مرور تيار كهربائي فيه إلا في حال تسليط الضوء عليه.

يتميز الديود الضوئي بعدة خصائص منها:

  • يستهلك مقدارًا ضئيلًا من الطاقة حين يعمل في وضع الانحياز العكسي.
  • تمرير إشارات كهربائية مربعة، كون التيار المار فيه لا يتأثر بشدة الضوء المسلط عليه.
  • يمتاز بحساسيته العالية للضوء، مما يجعله في حالة عمل عند أدنى إشارة ضوئية.

يستخدم الثنائي الضوئي في الكثير من الأجهزة نذكر منها:

  • أجهزة الأمان الإلكترونيّة لتحسس الحرائق والدخان.
  • الكاميرات وأجهزة التلفاز وأجهزة استقبال المحطات الفضائية التلفزيونية.
  • الأجهزة الطبيّة مثل أجهزة التصوير المقطعي وأجهزة تحليل عينات الدم.
  • أجهزة المراقبة والإنذار الخاصة بالمتاحف والمعارض والبنوك وأجهزة تحسس الحركة لكشف السرقات.
  • أجهزة للقيام باختبارات علمية خاصة بعلم الفضاء والنجوم ومعالجة المياه وفحص الأغذية.

الديودات الضوئية

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ماهي الديودات الضوئية"؟